Imagerie d’absorption et imagerie de phase

Nous ferons ici une parenthèse sur le domaine des rayons X, car l’imagerie de phase n’est pas exclusive à ce domaine de longueurs d’onde, et se retrouve également dans le domaine visible. Notamment en microscopie de phase quantitative (BONet al.,2009), pour, entre autres, l’identification de compartiments cellulaires, ou la mesure optique de la masse cellulaire en biologie, mais également pour des applications physiques comme la mesure du déphasage de Gouy (BONet al.,2012).

2.4. Instrumentation pour la métrologie et l’imagerie de phase en rayons X

Revenons au domaine des rayons X, et plus particulièrement aux notions d’interaction du rayonnement avec la matière. Celles-ci sont capitales pour envisager le potentiel et les li-mites de l’imagerie d’absorption et de phase dans le domaine des rayons X. De nombreuses études ont été menées et ont démontré l’intérêt de cette modalité d’imagerie en complémen-tarité de l’imagerie d’absorption traditionnelle dans le cas d’échantillons faiblement absor-bants, et ce, au travers de différentes méthodes instrumentales sur lesquelles nous revien-drons par la suite. Ces recherches ont été menées tant sur source synchrotron [(CLOETENSet al.,1996), (MOMOSE,2003),(WEITKAMP et al.,2005),(MOMOSE, YASHIROet TAKEDA,2008) ] en profitant des qualités de cohérence du rayonnement, mais également sur source de laboratoire [(NUGENT et al.,1996),(PFEIFFER et al.,2006), (KIDOet al.,2010)], dans une dé-marche de valorisation des techniques de recherche vers les applications industrielles. Nous arrivons à l’heure actuelle aux premiers prototypes de scanners commerciaux pour le diag-nostic médical sur le petit animal (BECHet al.,2013) avec l’étude de l’emphysème pulmo-naire, ou chez l’homme avec notamment en cours l’étude sur un scanner dédié au diagnostic de l’arthrite (MOMOSEet al.,2014) et d’autres dédiés à la mammographie (STAMPANONIet al.,2011). Ces études, dont certaines sont aux stades pré-clinique et clinique, montrent que l’imagerie par contraste de phase permet de révéler des détails sur les cartilages ou tumeurs auxquels on accède difficilement avec la seule imagerie par contraste d’absorption.

FIGURE 2.20: a) Comparaison de l’image d’absorption et du gradient de la phase dans le cas de l’observation du cartilage, figures extraites de (TANAKA

et al.,2013), b) Utilisation quantitative d’un Fantôme pour la comparaison des deux types d’imagerie, figures extraites de (TAPFERet al.,2012).

Une illustration de ce constat, est proposée dans la figure2.20au travers de deux exemples.

La comparaison entre les deux images n’est pas toujours équitable dans la littérature, et comme c’est le cas ici sur la figure a) issue de (TANAKAet al.,2013), car souvent sont présen-tés les gradients en comparaison à l’image d’absorption. Or les gradients sont naturellement révélateurs des contours et discontinuités d’un objet ce qui fait subjectivement pencher la balance en faveur de l’imagerie de phase. Cependant, les dispositifs sensibles à la phase représentent toujours des instruments dont le potentiel permettrait de limiter les doses sur patients et apporter un contraste complémentaire à celui de l’absorption. Sur la figure b) issue de (TAPFER et al.,2012), présentant les résultats d’un premier prototype de scanner

pour l’imagerie du petit animal, est reporté de façon quantitative l’analyse des propriétés d’absorption et de déphasage de différent fluides. Les mesures de l’absorption ont permis de remonter aux coefficientsµ_ωetδ_ωpour chaque matériau avec un très bon accord. De plus les différences de niveaux de gris pour chacun des liquides montrent l’intérêt d’utiliser les deux canaux d’imagerie. Par exemple, le contraste entreH₂O+N aCletEth50 +Gly50est beaucoup plus prononcé en imagerie d’absorption alors que le coupleEth+N aletGlyest mieux contrasté en imagerie de phase.

En revanche, sur des échantillons plus complexes nous verrons qu’il n’est pas toujours aussi aisé de démontrer l’intérêt de l’imagerie de phase en complémentarité de l’imagerie d’absorption. Afin d’évaluer la sensibilité de cette variation pour chacun des types d’image-rie, nous proposons de différencier les équations2.10et2.9afin d’estimer les coefficients de variation de chacune de ces grandeurs2.23:

dt(x, y, z) = −µωe^−µωzdz = K1(z)dz

d∆φ(x, y, z) = kδ_ωdz = K₂dz (2.23)

FIGURE2.21: Évolution des coefficientsK1, K2dans le domaine X durs pour les matériaux, carbone, silicium et calcium.

Nous avons représenté ensuite en figure2.21l’évolution des coefficientsK₁, K₂en fonc-tion de l’énergie. Le coefficient de transmissionK1(z)est évalué pour une épaisseur typique d’échantillon de l’ordre du millimètre, valeur proche de la dimension caractéristique des éléments analysés en transmission au cours de cette thèse. Cette figure démontre que l’on a bien des coefficientsK1 ≤ K2 sur cette gamme d’énergie pour le carbone, le silicium et le calcium. Nous pouvons nous attendre à une sensibilité de mesure supérieure concernant la phase, et ce, d’un facteur10⁴. En revanche, si la mesure de phase semble plus sensible, nous constatons qu’entre les matériaux, la variation desK₂ est très nettement inférieure à la variation desK1. De fait, les contrastes en imagerie de phase par rapport à l’imagerie d’absorption pour un échantillon constitué de matériaux très différents seront nécessaire-ment moins bons, ce que nous constaterons au chapitre6sur un échantillon archéologique très hétérogène en composition. Et ceci peut déjà se ressentir sur l’image de dérivée pré-sentée en figure2.20 a), en dehors des zones de transition dans l’échantillon, les niveaux de gris de l’image sont très proches, c’est-à-dire que la moyenne de la dérivée est globale-ment égale entre les zones avec un os et une zone où seuls des tissus mous sont présents.

2.4. Instrumentation pour la métrologie et l’imagerie de phase en rayons X

Par conséquent, les phases auront nécessairement des valeurs très proches dans les deux cas contrairement à ce que l’on constate sur l’image d’absorption. Nous aurons l’occasion de revenir sur ces aspects dans la partie concernant les résultats d’imagerie de phase en fin de manuscrit.